DE2824617C2

DE2824617C2 -

Info

Publication number: DE2824617C2
Application number: DE2824617A
Authority: DE
Inventors: David J. Rockford Ill. Us Hucker
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1977-07-12
Filing date: 1978-06-05
Publication date: 1987-07-16
Also published as: FR2397744A1; DE2824617A1; GB1578710A; IL54901A0; FR2397744B1; CA1096439A; US4139807A; IL54901A; JPS5420318A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung einer Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a circuit for reduction the voltage across a main field rotor winding Synchronous machine according to the preamble of patent claim 1.

Wenn die Hauptstatorwicklung einer Synchronmaschine an eine Versorgungsspannung angelegt wird und somit als Motor betrieben wird, wird der Rotor bis zum Erreichen der Synchrondrehzahl beschleunigt. Die Beschleunigung des Rotors wird durch die Einwirkung der Wechsel- bzw. Drehstromspannung auf die Dämpfungsstäbe, die als Käfigankerwicklung während des Hochlaufs verwendet werden, bewirkt. Im Ruhezustand oder bei geringer Drehzahl werden hohe Spannungen über der Hauptfeldrotor wicklung erzeugt. Diese Spannungen sind unerwünscht und sie müssen während des Hochlaufens verringert werden um eine Beschädigung von elektronischen Bau elementen und der Wicklungen zu verhindern.If the main stator winding of a synchronous machine is applied to a supply voltage and thus as The motor is operated until the rotor is reached Synchronous speed accelerated. The acceleration of the rotor is affected by the AC or three-phase voltage on the damping rods, which as a cage anchor winding during startup are used. At rest or at low Speed will be high voltages across the main field rotor winding. These tensions are undesirable and they must be reduced by one during startup Damage to electronic construction elements and the windings to prevent.

Es ist bekannt die Hauptfeldrotorwicklung während des Anlaufs kurzzuschließen. Bekannt ist auch die Einschaltung eines Widerstandes in die Kurzschlußleitung. Sehr häufig werden zum Kurzschließen der Hauptfeldrotor wicklung steuerbare Gleichrichter (SCR bzw. Thyristoren) und Z-Dioden verwendet. Auch Zentrifugalschalter wurden eingesetzt um die Hauptfeldrotorwicklung während des Hochlaufs kurzzuschließen. Diese sind aber wegen der mechanischen Kontaktgebung unzuverlässig.It is known the main field rotor winding during short of the start-up. The is also known Activation of a resistor in the short-circuit line. The main field rotor is very often used for short-circuiting winding controllable rectifiers (SCR or thyristors) and Zener diodes are used. Centrifugal switches were also made used around the main field rotor winding during the Short-circuit startup. But these are because of the mechanical Unreliable contacting.

Durch die Siemens-Zeitschrift 42 (1968), Heft 11, S. 930 bis 939, ist eine Synchronmaschine bekanntgeworden bei der eine Schaltung zum Kurzschließen der Hauptfeldrotorwicklung vorgesehen ist. Dies geschieht im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung mit Thyristoren die aktive Steuerungsschaltungen benötigen.By Siemens magazine 42 (1968), volume 11, pp. 930 to 939, a synchronous machine has become known in the one Circuit for short-circuiting the main field rotor winding is provided. In contrast to the present Invention with thyristors the active Control circuits need.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und sicher arbeitende Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung einer Synchronmaschine während des Hochlaufs zu schaffen.The invention has for its object a simple and safe working circuit to reduce the voltage across a main field rotor winding of a synchronous machine to create during startup.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the characterizing Part of claim 1 specified features solved. Appropriate refinements and developments of Invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated by the drawing th exemplary embodiments explained in more detail. It shows

Fig. 1als Blockschaltbild die Bauelemente, die auf dem Stator einer Synchronmaschine zu befestigen sind, und schematisch eine Schaltung, die auf einem Ro tor drehbar befestigt ist; Fig. 1 as a block diagram of the components that are to be attached to the stator of a synchronous machine, and schematically a circuit that is rotatably mounted on a ro tor;

Fig. 2 Spannungsverläufe bei der Schaltung gemäß Fig. 1; Fig. 2 voltage waveforms in the circuit of FIG. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der auf dem Rotor befestigten Schaltung. Fig. 3 shows another embodiment of the circuit attached to the rotor.

Gemäß Fig. 1 werden Dreiphasenspannungen von einem (nicht dargestellten) Wechselstromgenerator der Hauptstatorwicklung 10 in üblicher Weise zugeführt, wenn Kontakte 12 geschlossen sind. Die Spannung von der Wechselstromquelle wird gleichge richtet und geregelt mittels einer Gleichrichter/Regler-Schal tung 14. Wenn der Rotor eine Drehzahl bei oder nahe der Syn chrondrehzahl erreicht, wird ein Schalter 15 geschlossen und es wird Strom von der Gleichrichter/Regler-Schaltung 14 einer Erregerwicklung 16 in bekannter Weise zuge führt. Die der Hauptstatorwicklung 10 zugeführte Wechselspan nung bewirkt, daß der Rotor der Synchronmaschine sich während des Anlaufs dreht aufgrund der bekannten Induktions prinzipien, bei Dämpfungsstäben als Käfiganker verwendet werden. Wenn ein Strom der Erregerwicklung 16 zugeführt wird, wird eine Spannung in der Erregerankerwicklung 18 erzeugt. Die Span nung von der Erregerankerwicklung 18, die aus Einzelwicklungen 18-1, 18-2 und 18-3 besteht, wird durch Dioden 20, 22, 24 gleichgerichtet, und der sich ergebende Gleichstrom wird der Hauptfeldrotorwicklung 26 zugeführt, um die Synchronisation des Rotors mit der Spannung in der Hauptstatorwicklung 10 zu erzielen.Referring to FIG. 1 three-phase voltages are supplied from an alternating current generator of the main stator 10 (not shown) in a conventional manner, when contacts 12 are closed. The voltage from the AC power source is rectified and regulated by means of a rectifier / regulator circuit 14 . When the rotor reaches a speed at or near the synchro speed, a switch 15 is closed and current from the rectifier / regulator circuit 14 leads to an excitation winding 16 in a known manner. The AC voltage supplied to the main stator winding 10 causes the rotor of the synchronous machine to rotate during start-up due to the known induction principles used in the case of damping rods as cage anchors. When a current is supplied to the field winding 16 , a voltage is generated in the field armature winding 18 . The voltage from the excitation armature winding 18 , which consists of individual windings 18-1, 18-2 and 18-3 , is rectified by diodes 20, 22, 24 , and the resulting direct current is supplied to the main field rotor winding 26 in order to synchronize the rotor to achieve with the voltage in the main stator winding 10 .

Die Hauptfeldrotorwicklung 26 wird nahe oder auf der Syn chrondrehzahl verwendet und muß während des Starts oder Anlauf ens kurzgeschlossen werden, um eine Beschädigung der elektro nischen Bauelemente wie beispielsweise der Dioden 20, 22, 24 zu verhindern. Wenn sie nicht während des Starts kurzgeschlos sen wird, treten hohe induzierte Ströme auf als Ergebnis der in der Hauptfeldrotorwicklung 26 durch die Hauptstatorwicklung 10 induzierte Spannung. Der Kurzschluß wird von der Hauptfeldro torwicklung bei oder nahe der Synchrondrehzahl entfernt. Wenn sich der Rotor dreht, ändern Leitungen 28 und 30 von der Haupt feldrotorwicklung 26 abwechselnd ihre Polarität von Plus nach Minus als Ergebnis der durch die Hauptstatorwicklung 10 indu zierten Spannung. Wenn die Leitung 28 positiv ist, fließt Strom über einen Widerstand 32 und bewirkt eine positive Spannung an der Basis eines Transistors 34 gegenüber der Leitung 30, wo durch der Transistor 34 durchgeschaltet wird und ein Transistor 36 ebenfalls durchgeschaltet wird, um so die Hauptfeldwicklung 26 kurzzuschließen. Der Transistor 34 ist ein aktives Halbleiter-Bauelement mit einer Basis 34-b, einem Emitter 34-e und einem Kollektor 34-c, wobei im übrigen Basis, Emitter und Kollektor auch bei den anderen in der Zeichnung dar gestellten Transistoren in ähnlicher Weise bezeichnet sind.The main field rotor winding 26 is used close to or at the synchro speed and must be short-circuited during start or start-up in order to prevent damage to the electronic components such as the diodes 20, 22, 24 . If it is not short-circuited during startup, high induced currents will occur as a result of the voltage induced in the main field rotor winding 26 by the main stator winding 10 . The short circuit is removed from the main field rotor winding at or near the synchronous speed. When the rotor rotates, lines 28 and 30 from the main field rotor winding 26 alternately change their polarity from plus to minus as a result of the voltage induced by the main stator winding 10 . When line 28 is positive, current flows through a resistor 32 and creates a positive voltage at the base of a transistor 34 opposite line 30 , where transistor 34 is on and transistor 36 is also on, thereby shorting main field winding 26 . The transistor 34 is an active semiconductor component with a base 34 - b , an emitter 34 - e and a collector 34 - c , the rest of the base, emitter and collector also being referred to in a similar manner in the other transistors shown in the drawing are.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Erfindung unter dem Begriff Transistor keine gesteuerten Gleichrichter (SCR) oder an dere Bauelemente der Thyristor-Halbleiter-Familie zu verstehen sind. It should be noted that in the invention under the Term transistor no controlled rectifier (SCR) or on to understand their components of the thyristor semiconductor family are.

Wenn die von der Hauptstatorwicklung 10 induzierte Span nung die Polarität der Spannung in der Hauptfeldwicklung 26 ändert, d. h. wenn die Leitung 28 negativ und die Leitung 30 positiv sind, wird die Spannung über die Hauptfeldwicklung 26 durch die Dioden 20, 22 und 24 begrenzt. Insbesondere fließt Strom von der Leitung 30 durch die Erregerankerwicklung 18, durch die jeweiligen Dioden 20, 22, 24 und kehrt zur Leitung 28 der Hauptfeldwicklung 26 zurück. Die Transistoren 34 und 36 sind gesperrt, da deren Basis-Emitter- Strecke in Sperrichtung vorgespannt sind, wäh red die Polarität über die Hauptfeldrotorwicklung 26 ent gegengesetzt zu der in Fig. 1 dargestellten ist.When the voltage induced by the main stator winding 10 changes the polarity of the voltage in the main field winding 26 , ie when the line 28 is negative and the line 30 are positive, the voltage across the main field winding 26 is limited by the diodes 20, 22 and 24 . In particular, current flows from line 30 through field armature winding 18 , through respective diodes 20, 22, 24 and returns to line 28 of main field winding 26 . The transistors 34 and 36 are blocked since their base-emitter path is reverse-biased, while the polarity across the main field rotor winding 26 is opposite to that shown in FIG. 1.

Die durch die Erregerankerwicklung 18 erzeugte Spannung wird durch Dioden 38, 40, 42 gleichgerichtet, die eine negati ve Spannung gegenüber der Leitung 30 an ihren Anodenanschlüs sen erzeugen. Die Spannung über einen Widerstand 44 ist ausreichend hoch um die Transistoren 34, 36 zu sperren. Die Werte der Widerstände 32 und 34 sind so gewählt, daß die Spannung an der Basis des Tran sistors 34 negativ ist, wenn die Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird. Solange eine Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird, bleiben die Transistoren 34, 36 gesperrt, wodurch der Kurzschluß von der Hauptfeldrotorwicklung 26 entfernt ist.The voltage generated by the excitation armature winding 18 is rectified by diodes 38, 40, 42 , which generate a negative voltage with respect to the line 30 at their anode connections. The voltage across a resistor 44 is sufficiently high to block the transistors 34, 36 . The values of resistors 32 and 34 are chosen so that the voltage at the base of transistor 34 is negative when the voltage is generated by excitation armature winding 18 . As long as a voltage is generated by the excitation armature winding 18 , the transistors 34, 36 remain blocked, as a result of which the short circuit is removed from the main field rotor winding 26 .

Auf diese Weise wird unter Betrachtung des Betriebs der Schaltungsanordnung vom Startzeitpunkt bis zur Synchrongeschwin digkeit ein Kurzschluß über der Hauptfeldrotorwicklung 26 bewirkt wenn die durch die Hauptstatorwick lung 10 induzierten Spannung bei der Leitung 28 positiv ist. Der Stromfluß durch die Haupt feldrotorwicklung 26 ist durch Dioden 20, 22 und 24 begrenzt, wenn die Spannung über die Hauptfeldrotorwicklung 26 umgekehrte Polarität besitzt. Wenn der Rotor eine Drehzahl bei oder nahe der Synchron drehzahl erreicht, wird der Schalter 15 geschlossen und bewirkt, daß eine Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird, so daß die Transistoren 34, 36 in Sperrichtung vorgespannt werden.In this way, considering the operation of the circuit arrangement from the start time to Synchrongeschwin speed, a short circuit across the main field rotor winding 26 is caused when the voltage induced by the main stator winding 10 on line 28 is positive. The current flow through the main field rotor winding 26 is limited by diodes 20, 22 and 24 when the voltage across the main field rotor winding 26 has reverse polarity. When the rotor reaches a speed at or near the synchronous speed, the switch 15 is closed and causes a voltage to be generated by the excitation armature winding 18 so that the transistors 34, 36 are reverse biased.

In Fig. 2 zeigen Spannungsverläufe den Betrieb der Schal tungsanordnung, wenn eine Spannung von der Erregerankerwick lung 18 erzeugt ist. Insbesondere sind die Erregerausgangsspan nungen dargestellt, die halbwellengleichgerichtet sind, um die Spannung mit den Widerständen 32 und 44 zu teilen.In Fig. 2, voltage waveforms show the operation of the circuit arrangement when a voltage from the excitation armature development 18 is generated. In particular, the excitation output voltages are shown which are half-wave rectified to share the voltage with resistors 32 and 44 .

Die Spannung über den Widerständen 32 und 44 ist die Dif ferenz zwischen der positiven halbwellengleichgerichteten Span nung und der negativen halbwellengleichgerichteten Spannung, wie dargestellt.The voltage across resistors 32 and 44 is the difference between the positive half-wave rectified voltage and the negative half-wave rectified voltage as shown.

Fig. 3 zeigt eine andere den Rotor kurzschließende Schalt einrichtung, deren Betrieb ähnlich der Schaltung gemäß Fig. 1 ist. Die Schaltung ist insbesondere zweckmäßig, wenn eine ein zige Wicklung des Erregerankers, wie die von den Wicklungen 18-2 und 18-3 getrennte einzige Wicklung 18-1, verwendet wird, um eine negative Vorspannungsversorgung zu erreichen. Während des Starts induziert die Hauptstatorwicklung 10 eine Spannung in der Hauptfeldrotorwicklung 26 in einer der be reits erläuterten Weise ähnlichen Weise. Die Polarität der in der Hauptfeldwicklung 26 induzierten Spannung alterniert zwi schen Plus und Minus auf den Leitungen 28 und 30. Fig. 3 shows another short-circuiting the rotor switching device, the operation of which is similar to the circuit of FIG. 1. The circuit is particularly useful when a single winding of the excitation armature, such as the single winding 18-1 separated from the windings 18-2 and 18-3 , is used to achieve a negative bias supply. During startup, the main stator winding 10 induces a voltage in the main field rotor winding 26 in a manner similar to that already discussed. The polarity of the voltage induced in the main field winding 26 alternates between plus and minus on the lines 28 and 30 .

Wenn die Spannung auf der Leitung 28 positiv ist gegenüber der Spannung auf der Leitung 30, fließt Strom durch Widerstände 46 und 48 über eine Gruppe von Dioden 50, 52, 54 und über eine Gruppe von Dioden 56, 58, 60 und kehrt zur Leitung 30 der Haupt feldrotorwicklung 26 zurück. Die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors 62 ist in Durchlaßrichtung vorge spannt, wodurch der Transistor 62 leitend gehalten ist, um die Hauptfeldwicklung 26 kurzzuschließen.When the voltage on line 28 is positive with respect to the voltage on line 30 , current flows through resistors 46 and 48 through a group of diodes 50, 52, 54 and a group of diodes 56, 58, 60 and returns to line 30 the main field rotor winding 26 back. The base-emitter path of a transistor 62 is forward biased, whereby the transistor 62 is kept conductive to short-circuit the main field winding 26 .

Wenn die in der Hauptfeldwicklung 26 induzierte Spannung ihre Polarität umkehrt, wenn die Leitung 30 positiver ist als die Leitung 28, fließt Strom durch eine Gruppe von Dioden 64, 66, 68 und über eine Gruppe von Dioden 70, 72, 74 und kehrt zur Leitung 28 der Hauptfeldrotorwicklung 26 zurück. Dies be grenzt die über der Hauptfeldrotorwicklung 26 abfallende Span nung, wenn die Leitung 30 positiver ist als das Potential auf der Leitung 28.When the voltage induced in main field winding 26 reverses polarity when line 30 is more positive than line 28 , current flows through a group of diodes 64, 66, 68 and a group of diodes 70, 72, 74 and returns to the line 28 of the main field rotor winding 26 back. This limits the voltage drop across the main field rotor winding 26 when line 30 is more positive than the potential on line 28 .

Die an der einzelnen Wicklung 18-1 der Erregerankerwick lung abfallende Spannung wird durch Dioden 54 und 74 gleichge richtet, wodurch ein Spannungsabfall über Widerstände 46 und 48 auftritt. Die Spannung über den Widerstand 48 überwindet die Vorspannung in Durchlaßrichtung des Tran sistors 62, die durch den Widerstand 46 erzeugt ist, und schal tet den Transistor 62 ab bzw. sperrt ihn.The voltage drop across the individual winding 18-1 of the excitation armature winding is rectified by diodes 54 and 74 , causing a voltage drop across resistors 46 and 48 to occur. The voltage across the resistor 48 overcomes the forward bias of the transistor 62 , which is generated by the resistor 46 , and switches the transistor 62 off or blocks it.

Wenn auch die einzige Wicklung 18-1 in der Schaltung gemäß Fig. 3 angeschlossen ist, so kann selbstverständlich jede ande re einzelne Windung wie die Windung 18-2 oder 18-3 der Erreger ankerwicklung 18 in ähnlicher Weise angeschlossen sein, wie das in Fig. 3 durch Strichlinien dargestellt ist.If the only winding 18-1 is connected in the circuit according to FIG. 3, it is of course also possible for any other individual winding such as the winding 18-2 or 18-3 of the excitation armature winding 18 to be connected in a similar manner to that in FIG . is shown by dashed lines 3.

Claims

1. Circuit for reducing the voltage across a main field rotor winding ( 26 ) of a synchronous machine during startup until it reaches the approximate synchronous speed, the synchronous machine consisting of:

- a main stator winding ( 10 ) which is connected to a supply voltage,
- an excitation winding ( 16 ),
a switch ( 15 ) between the main stator winding ( 10 ) and the excitation winding ( 16 ) which is open during the run-up and which is closed when the synchronous speed is approached,
- An excitation armature winding ( 18 ) which is inductively coupled to the excitation winding ( 16 ) and which generates an armature voltage when the switch ( 15 ) is closed, and
a diode ( 20, 22, 24; 70, 72, 74 ) which is connected in series with the field armature winding ( 18 ) and the main field rotor winding ( 26 ), the main field rotor winding ( 26 ) being inductively coupled to the main stator winding ( 10 ),

characterized,
that a transistor ( 36; 62 ) of the main field rotor winding ( 26 ) is connected in parallel and
that a passive bias circuit ( 32, 44; 46, 48 ) is connected to the transistor ( 36; 62 ),
the transistor ( 36; 62 ) is switched on to reduce the voltage across the main field rotor winding ( 26 ), which is induced by the main stator winding ( 10 ) at the supply voltage when the switch ( 15 ) is open and which has a first polarity, and
wherein the diode ( 20, 22, 24; 70, 72, 74 ) limits the voltage which has a second polarity and is induced by the main stator winding ( 10 ) connected to the supply voltage across the main field rotor winding ( 26 ).

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the passive bias circuit consists of one of two resistors ( 32, 44; 46, 48 ) formed voltage divider and wherein the transistor ( 62 ) with the base at the connection point of the resistors ( 32, 44; 46, 48 ) is connected.

3. A circuit according to claim 2, characterized in that a further transistor ( 34 ) at the junction of the resistors ( 32, 42 ) is connected to its base, which in turn drives the transistor ( 36 ).

4. Circuit according to claim 1, characterized in that the transistor ( 36; 62 ) is blocked by the passive bias circuit ( 32, 44; 46, 48 ) when the switch ( 15 ) is closed.